车用发动机自动张紧器静态力学特性实测分析

本文于 2014–06–03 收到. 1) 国家自然科学基金资助项目 (51305085). 2) 曾祥坤， 博士， 讲师. 主要从事汽车振动与控制、汽车 NVH 特性等方向的研究工作. E-mail: zxiangkun8422@ 引用格式： 曾祥坤, 陈链, 喻菲菲等. 车用发动机自动张紧器静态力学特性实测分析. 力学与实践, 2015, 37(1): 100-103 Zeng Xiangkun, Chen Lian, Yu Feifei, et al. Static characteristics of automatic tensioner in vehicle engine. Mechanics in Engineering, 2015, 37(1): 100-103
1.2 张紧器扭矩 -- 角位移关系曲线计算
工况下张紧器力 -- 位移关系曲线， 并计算出张紧器扭 矩 -- 角位移关系曲线. 采用最小二乘方法识别出加载 和卸载工况下扭矩 -- 角位移关系曲线的斜率，由加 载和卸载曲线斜率的平均值计算出张紧器弹簧的静 刚度；以加载工况下张紧器角位移为零时的扭矩作 为张紧器的初始扭矩. 介绍了张紧器阻尼系数的计 算方法及其评价指标，为张紧器阻尼系数的设计提 供参考.
.
张紧器由张紧臂、 张紧轮、 螺旋弹簧和阻尼元件 组成， 其中， 螺旋弹簧主要提供扭矩， 阻尼元件则提 [2-3] 供摩擦力 . 张紧器具有减小张紧轮两侧带段张 力波动和带段横向振动位移的作用. 在 FEAD 系统 中， 皮带张力增大时， 张紧器提供大的输出扭矩， 抵 抗张紧器两侧带段较大的张力波动；皮带张力减小 时， 张紧器弹簧提供恢复力， 张紧器能快速复位从而 压紧张紧轮两侧皮带，以免带中张力过小导致传动 失效. 基于张紧器在 FEAD 系统上的重要作用，学 者们开展了张紧器静态力学特性及其对 FEAD 系统 特性影响的大量研究 [4-8] . 张紧器静态力学特性，即张紧器扭矩 -- 角位移 间的关系曲线，该曲线由加载工况和卸载工况下的 扭矩 -- 角位移曲线组成，为一迟滞回线 [4-5] . 张紧 器静态力学特性对 FEAD 静态设计 (包括轮系的布 置、 带静态张力的调节等)， 以及 FEAD 系统动态特 性 (包括轮和张紧臂的转角波动、带的动态张力等) 的准确计算影响较大 [6-8] . 通常， 工程中采用张紧器 弹簧静刚度、初始扭矩、阻尼系数等 3 个性能评价 参数来表征张紧器静态力学特性. 文中介绍了张紧器静态特性 (力 -- 位移曲线) 的 实测方法，以及张紧器扭矩 -- 角位移曲线、性能评 价参数的求解方法. 采用无锡永凯达齿轮有限公司 的单通道零部件力学测试与模拟 (mechanical testing
& simulation, MTS) 系统， 测试了张紧器加载和卸载
图 1 张紧器静态特性实验装置
测试过程中，通过 MTS 测试仪的控制系统中 设置激振端的激振频率和激振振幅. 在克服张紧器 弹簧扭矩和摩擦力的作用下，激振端推动张紧轮向 上运动， 即激振端向加载方向移动； 相反， 激振端向 下运动为卸载方向，激振端只需克服摩擦力作用， 此时张紧器弹簧扭矩则提供恢复力. 在张紧器加载 和卸载过程中， 采用 MTS 测试仪的数据处理系统采 集激振端的位移信号和力信号.
h0 − h = L sin h= h0 + h = L sin θm 2 θm −θ 2 θ θm 2 + L sin θ − θm 2 θm 2 θm 2 ,
图 3 中， hu 和 hd 分别为加载和卸载工况下， 张紧器角位移为 θ 时的扭矩曲线. 张紧器静刚度计 算式为 k = (ku + kd )/2 (4) 其中，ku 和 kd 分别为加载和卸载工况下张紧器弹 簧的静刚度， 即加载曲线 hu 和卸载曲线 hd 的斜率. 工程中常采用加载工况下，张紧器角位移为零 时的扭矩作为张紧器的初始扭矩，即图 3 中的 T0 . 张紧器阻尼系数 η ，常用于评价张紧器保持其两侧 带段张力波动稳定的能力，其计算式为
张紧器安装位置结构示意图见图 2. 图 2 中， 以张紧臂旋转中心点 O 为坐标原点， 以激振端运动 方向垂直向上为正 Y 轴，在张紧器安装平面上建 立平面坐标系 XOY ；A, B 分别为张紧器上两螺栓 孔中心投影到 XOY 坐标系上的点；C 点为初始状 态 (张紧器角位移为零) 下张紧轮中心点投影到 XOY 坐标系上的点. 张紧器安装前，先确定好张紧器初始状态下张 紧臂与 X 轴的夹角为 θm /2， 其中 θm 为张紧器最大
摘要 自动张紧器是发动机前端附件驱动系统 (front and accessory drive, FEAD) 中， 用于减小张紧轮两 侧带段张力波动和带段横向振动位移的主要零部件之一. 张紧器的静态力学特性的评价参数包括张紧器的静刚 度、 初始扭矩和阻尼系数. 介绍了张紧器力 -- 位移曲线的实验方法， 以及张紧器扭矩 -- 角位移曲线、 性能评价参 数的求解方法. 张紧器静态力学特性实测数据， 为 FEAD 系统静态、 动态特性计算提供数据基础. 实验方法为 类似旋转运动件的扭转静刚度测试提供参考. 关键词 张紧器, 静态特性, 实验方法, 扭矩 -- 角位移 中图分类号：TH132.3, TK423.42 文献标识码：A doi：10.6052/1000-0879-14-169
FEAD 系统增加自动张紧器
[1]
实验在无锡永凯达齿轮有限公司的单通道零部 件力学测试与模拟测试仪 (以下简称 MTS 测试仪) 上完成， 实验装置见图 1. 由图 1 可见，用两螺栓通过张紧器上 A, B 两 处螺栓孔，将张紧器固定在垂直安置的铁泥板上； 张紧臂可以绕张紧器旋转中心旋转，C 点为加载前 张紧轮中心位置； MTS 测试仪上的激振端紧贴于张 紧轮的下表面，可上下直线运动.
L sin (θm /2) − h , θ θm /2 θm /2 − arcsin L θ= θm /2 − arcsin L sin (θm /2) − h , θ > θm /2 L (2)
其中，T1 和 T2 分别为加载、卸载工况下张紧器角 位移为 θm /2 时的扭矩；Tf 为张紧器摩擦扭矩， Tf = (T2 − T1 )/2. 工程设计中，要求张紧器阻尼系 数 η 在 30% ∼ 50%.
η= Tf × 100% (T1 + T2 )/2 (5)
− L sin
,
θ>
(1)
式中， h0 为张紧器初始状态下， 张紧轮中心点 C 到 X 轴的垂直距离； h 为张紧器旋转 θ 角度后，张紧 轮中心点 C 到 X 轴的垂直距离；L 为张紧臂的长 度， 即张紧轮中心点到张紧臂旋转中心 O 点的距离. 由式 (1) 可知，张紧器角位移 θ 与激振端位移 量 h 间的关系式为
STATIC CHARACTERISTICS OF AUTOMATIC TENSIONER IN VEHICLE ENGINE 1)
ZENG Xiangkun∗,2)
∗ (College † (Wuxi ∗∗ (School
CHEN Lian†
YU Feifei∗
WANG Xiaoli∗∗
of Electromechanical Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China) Yongkaida Gear Co., Ltd., Wuxi 214151, Jiangsu, China)
Hale Waihona Puke 2 结果分析文中实验所采用的张紧器最大角位移 θm = 40◦ . 根据张紧器初始状态下满足张紧臂与 X 轴夹角为 θm /2 的要求固定张紧器. 测试前， 先利用 MTS 测试 仪控制激振端的位移，使加载工况下张紧器的角位 移处于 20◦ 位置 (此时张紧臂与 X 轴夹角为 0)； 设 置激振振幅和频率分别为 10 mm 和 0.5 Hz，试运行 几个循环后，开始采集激振端的力信号和位移信号. 该激振工况下，张紧器的角位移范围在 2.5◦ ∼37.5◦ .
第 1 期
曾祥坤等：车用发动机自动张紧器静态力学特性实测分析
101
引 言
汽车发动机前端附件驱动 (front end accessory
drive， FEAD) 系统是由带和若干轮组成的传动系统. FEAD 系统在带的预紧力作用下运转一段时间后，
1 实验装置与计算方法
1.1 实验装置和测试方法
皮带发生塑性变形 (带的长度伸长) 导致带中张力 减小， 此时， 带 -- 轮间摩擦力产生的扭矩可能无法满 足该轮负载扭矩的要求而出现打滑的现象，严重时 会使系统传动失效. 为了保证带传动的能力，常在
第 37 卷 第 1 期
力
学
与
实
践
2015 年 2 月
车用发动机自动张紧器静态力学特性实测分析
曾祥坤 ∗,2) 陈 链† 喻菲菲 ∗ 王小莉 ∗∗
∗ (广东技术师范学院汽车学院, † (无锡永凯达齿轮有限公司,
1)
广州 510665) 广州 510641)
江苏无锡 214151)
∗∗ (华南理工大学机械与汽车工程学院,
of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)
Abstract The automatic tensioner is widely used in the engine’s front end accessory drive (FEAD) system. It plays a predominant role to reduce the dynamic tension and the transverse vibration of the belt span adjacent to the tensioner pulley. The static performances of a tensioner are characterized by three parameters including the static stiffness, the pre-torque and the damping coefficient of the tensioner. Experimental methods for measuring the tensioner force versus the displacement are presented. Also, the data processing techniques for establishing the curve of the tensioner torque versus the angular deflection, and for evaluating the parameters of the tensioner static performances are illustrated. The experiment results provide a validation for the modeling and the simulation of the static and dynamic performances of the FEAD system. The experiment techniques presented in this paper can also applied to measure the static stiffness of similar structures. Key words tensioner, static characteristics, experimental method, torque--angular deflection